用于改善电迁移的球下金属结构及其形成方法技术

本发明专利技术公开了用于改善电迁移的球下金属结构及其形成方法。一种互连结构包括其中具有电部件的衬底以及与用于所述衬底中的电部件的接触焊盘相接触的凸点下金属结构(UBM)叠层。该UBM叠层包括与用于所述电部件的接触焊盘直接接触的金属粘合层、与该金属粘合层直接接触的铜(Cu)种子层、与所述铜(Cu)种子层直接接触的第一镍(Ni)阻挡层、以及具有位于所述第一镍(Ni)阻挡层上的至少一个铜(Cu)导体层和至少一个第二镍(Ni)阻挡层的分层结构。焊料球可以位于第二镍(Ni)阻挡层上。

【技术实现步骤摘要】
用于改善电迁移的球下金属结构及其形成方法
本公开一般地涉及互连结构及其制造方法。
技术介绍
焊料凸点(solderbump)具有很长的生产历史。焊料凸点工艺变化已经降低了制造成本，拓宽了倒装芯片的适用性，并且使得焊料凸点式管芯和晶片能从若干商业市场供应商处获得。在某些示例中，焊料凸点倒装芯片工艺被认为具有如下四个顺序步骤：(1)准备晶片以用于制作焊料凸点，(2)形成或放置焊料凸点，(3)将具有凸点的管芯附接至板、衬底或载体，以及(4)使用粘合剂底部填充来完成装配。
技术实现思路
在一个实施例中，本公开提供了一种互连结构，包括其中具有电部件的衬底以及与用于该电部件的接触焊盘相接触的凸点下金属结构(under-bumpmetallurgy，UBM)叠层。在一个实施例中，UBM叠层包括与用于电部件的接触焊盘直接接触的金属粘合层以及与该金属粘合层直接接触的铜(Cu)种子层。在某些实施例中，第一镍(Ni)阻挡层与Cu种子层直接接触，而第一Cu导体层则位于第一Ni阻挡层上。第二Ni阻挡层可以位于第一Cu导体层上。焊料球可以位于第二Ni阻挡层上。在另一实施例中，本公开提供了一种互连结构，包括其中具有电部件的衬底以及与用于该电部件的接触焊盘相接触的凸点下金属结构(UBM)叠层。该UBM叠层包括与用于电部件的接触焊盘直接接触的金属粘合层以及与金属粘合层直接接触的Cu种子层。UBM叠层还包括由从镍(Ni)、钛(Ti)、钴(Co)及其组合组成的组中选出的金属构成的阻挡层。阻挡层与Cu种子层直接接触。包括至少一个含Cu导体层的导体叠层可以位于阻挡层上。焊料球位于该导体叠层上。在另一实施例中，本公开提供一种形成互连结构的方法。在一个实施例中，所述方法可以从在用于位于衬底中的电部件的接触焊盘上形成UBM叠层开始。形成UBM叠层可以从在用于电部件的接触焊盘上形成金属粘合层开始。Cu种子层可以在该金属粘合层上形成。第一Ni阻挡层随后可被形成为与Cu种子层直接接触。第一Ni阻挡层保护Cu种子层不与随后形成的金属层的元素反应。随后可在第一Ni阻挡层上形成第一Cu导体层，并可在第一Cu导体层上形成第二Ni阻挡层。焊料球可在第二Ni阻挡层上形成。在又一方面，提供了一种降低互连部的UBM叠层中Cu种子层的消耗的方法。在某些实施例中，所述方法从在用于位于衬底中的电部件的接触焊盘上提供金属粘合层开始。Cu种子层随后可在该金属粘合层上形成。Ni阻挡层可以在该Cu种子层上直接形成。可以在Ni阻挡层上形成包括至少一个含Cu导体层的导体叠层。可以在该导体叠层上形成焊料球。当200毫安到1安的电流流过该UBM叠层时，Ni阻挡层阻止来自焊料球的金属元素与Cu种子层反应。在又一个实施例中，提供了一种互连结构，其包括其中具有电部件的衬底。凸点下金属结构(UBM)叠层与用于位于衬底上的电部件的接触焊盘相接触。UBM叠层包括与用于电部件的接触焊盘直接接触的金属粘合层、与金属粘合层直接接触的铜(Cu)种子层、以及与铜(Cu)种子层直接接触的镍(Ni)阻挡层。焊料球与镍(Ni)阻挡层直接接触。在某些实施例中，镍(Ni)阻挡层包括从由镍(Ni)、钛(Ti)、钴(Co)及其组合组成的组中选出的合金元素。附图说明作为示例给出而非将所公开的结构和方法仅限于此的下面的详细描述将结合附图得到最佳理解，附图中类似的参考编号指代类似的元素和部分，并且其中：图1是根据本公开在用于位于衬底上的电部件的接触焊盘上形成UBM叠层的一个实施例的截面侧视图。图2是根据本公开在图1描绘的UBM叠层上形成焊料球的一个实施例的截面侧视图。图3A是在电迁移测试之后包括具有TiW层、Cu种子层、Cu导体层、Ni阻挡层和焊料球的UBM叠层的互连部的光学截面。图3B是图3A描绘的互连部的UBM叠层和衬底之间的界面的放大光学视图。图4A是在电迁移测试之后包括具有TiW层、Cu种子层、第一Ni阻挡层、Cu导体层、第二Ni阻挡层和焊料球的UBM叠层的互连部的光学截面。图4B是图4A描绘的互连部的UBM叠层和衬底之间的界面的放大光学视图。具体实施方式在此公开了本公开的详细实施例；然而，将会理解公开的实施例仅是示例性的并且能够以各种形式具体化。此外，结合各实施例给出的每个示例旨在例示而非限制。此外，附图无需按比例绘制，并且可以夸大某些特征以示出特定部件的细节。因此，在此公开的具体结构和功能细节不应被解释为限制，而仅仅是教导本领域技术人员以各种方式利用本公开的实施例的代表性基础。为了其后的描述，术语"上"、"下"、"垂直"、"水平"、"顶"、"底"及其派生词应该与本公开的实施例相关，因为其在附图中定向。本公开的实施例涉及互连结构及其制造方法。传统上已经使用诸如C4（受控塌陷芯片连接）凸点的焊料凸点（也被称为“焊料球”）将芯片结合至芯片载体。在此使用的术语“焊料”指被熔化并在随后能够冷却以将两个或更多个金属表面接合在一起的任何金属、金属合物或合金。一般而言，焊料的熔化温度在150℃至300℃的范围内。焊料凸点可以是结合至半导体器件的接触区、互连线或焊盘的焊料小球（焊料球）。在某些实施例中，焊料凸点可由无铅焊料混合物或铅锡焊料制成。凸点下金属结构(UBM)（也被称为“球限制金属结构(BLM)”）是限定焊料球和焊料球要与之电连接的部件之间的焊接连接的大小和区域的焊料可润湿端子金属结构。UBM将焊料球的流动限制到期望区域。在某些实施例中，UBM提供至芯片配线的粘合和接触。在某些示例中，UBM可以包括粘合层、阻挡层和传导层，其中传导层使用焊料凸点提供用于线结构的器件后端与要被连接至所述线结构的器件后端的电结构之间互连的路径。粘合层、阻挡层和传导层提供用于器件和芯片之间互连的路径。粘合层可以是诸如钛(Ti)或钛(Ti)和钨(W)的合金的金属。阻挡层可由镍(Ni)构成。主传导层典型地是铜(Cu)。典型地镀覆UBM层（platedUBMlayer）可由包括溅射Ti和W合金层、溅射Cu层、镀覆Ni层和镀覆Cu层的金属叠层构成。这一工艺包括铜种子层的减法蚀刻。在此工艺中，顶部铜层的一部分可由湿法蚀刻工艺蚀刻。在需要改善电迁移时，在2微米的镍之下引入Cu层以改善电流分布并降低峰值电流密度。随后，先镀覆10微米厚的Cu层，然后是2微米的Ni层，以及顶部Cu层。这一结构的限制之一在于，在严苛的电迁移测试中，整个铜厚度可能会被消耗，从而导致由高电阻或开路引起的故障。一种潜在的解决方案是将Cu柱的厚度增加至大于20微米。以此方式，焊料在碰到凸点下金属结构的底部处的界面之前100%反应。这些厚度的Cu柱系统导致极硬的互连部，而这可能会在制造过程的传统粘附和回流工艺期间产生白凸点。在某些实施例中，在此公开的方法和结构引入Ni阻挡层作为UBM叠层的底层。通过引入Ni阻挡层代替典型由Cu构成的层，提供了抵抗电迁移的更强的阻挡物。更具体地，Ni具有比Cu低的反应速率，由此在Cu基座已被消耗并转化成包括来自焊料球的锡(Sn)的金属间化合物的情况下创建强的阻挡物。图1描绘了形成与用于位于衬底中（或衬底上）的电部件的接触焊盘相接触的UBM叠层的一个实施例。具体地，图1示出的该实施例包括铝层10、钝化层12和聚酰亚胺层14。铝层10提供通往可以位于衬底（未示出本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种互连结构，包括：其中具有电部件的衬底；与用于所述衬底中的电部件的接触焊盘相接触的凸点下金属结构(UBM)叠层，其中所述UBM叠层包括与用于所述电部件的接触焊盘直接接触的金属粘合层、与所述金属粘合层直接接触的铜(Cu)种子层、与所述铜(Cu)种子层直接接触的第一镍(Ni)阻挡层、位于所述第一镍(Ni)阻挡层上的第一铜(Cu)导体层、以及位于所述第一铜(Cu)导体层上的第二镍(Ni)阻挡层；以及位于所述第二镍(Ni)阻挡层上的焊料球。

【技术特征摘要】
2013.03.14 US 13/829,2421.一种互连结构，包括：其中具有电部件的衬底；与用于所述衬底中的电部件的接触焊盘相接触的凸点下金属结构(UBM)叠层，其中所述UBM叠层包括与用于所述电部件的接触焊盘直接接触的金属粘合层、与所述金属粘合层直接接触的铜(Cu)种子层、与所述铜(Cu)种子层直接接触的第一镍(Ni)阻挡层、位于所述第一镍(Ni)阻挡层上的第一铜(Cu)导体层、以及位于所述第一铜(Cu)导体层上的第二镍(Ni)阻挡层；以及位于所述第二镍(Ni)阻挡层上的焊料球。2.如权利要求1所述的互连结构，其中所述第一镍(Ni)阻挡层具有比铜(Cu)的反应速率要慢的反应速率，以提供对所述铜(Cu)种子层的阻挡层。3.如权利要求1所述的互连结构，还包括位于所述第二镍(Ni)阻挡层和所述焊料球之间的第二铜(Cu)导体层。4.如权利要求1所述的互连结构，其中铜(Cu)种子层由大于97at.％的铜(Cu)构成。5.如权利要求1所述的互连结构，其中所述铜(Cu)种子层具有从至范围内的厚度。6.如权利要求1所述的互连结构，其中所述第一镍(Ni)阻挡层包括从由钴(Co)、铁(Fe)、钛(Ti)及其组合组成的组中选出的至少一种合金元素与镍(Ni)的合金。7.如权利要求1所述的互连结构，其中所述第一镍(Ni)阻挡层具有从0.5微米至20微米范围内的厚度。8.如权利要求1所述的互连结构，其中所述焊料球具有从由锡、银、铜及其组合组成的组中选出的成分。9.如权利要求1所述的互连结构，其中所述金属粘合层由钛钨(TiW)合金层构成。10.一种形成互连结构的方法，包括：在用于位于衬底中的电部件的接触焊盘上形成金属粘合层；在所述金属粘合层上形成铜(Cu)种子层；形成与所述铜(Cu)种子层直接接触的第一镍(Ni)阻挡层，其中所述第一镍(Ni)阻挡层保护所述铜(Cu)种子层不与随后形成的金属层发生反应；在所述第一镍(Ni)阻挡层上形成第一铜(Cu)导体层；在所述第一铜(Cu)导体层上形成第二镍(Ni)阻挡层；以及在所述第二镍(Ni)阻挡层上形成焊料球。11.如权利要求10所述的方法，还包括在所述第二镍(Ni)阻挡层和所述焊料球之间形成第二铜(Cu)导体层。12.如权利要求10所述的方...

【专利技术属性】
技术研发人员：C·L·阿文，陆珉华，E·D·珀费科托，K·W·塞姆扣，T·A·瓦西克，
申请(专利权)人：国际商业机器公司，
类型：发明
国别省市：美国;US